旋磁激励式压电悬臂梁发电机性能分析与试验

发布时间：2020-02-26 22:57

【摘要】：为满足旋转机械监测系统的自供电需求,提出一种由旋转磁铁与压电梁端磁铁耦合激励(简称旋磁激励)的新型压电悬臂梁发电机。建立磁力冲击载荷作用下压电梁动态响应模型,通过数值分析方法获得转速、载荷作用时间以及周期比(载荷作用时间与振动周期之比)对压电梁动态响应特性(响应波形及放大比)的影响规律。结果表明,低速时属于脉冲激励,压电梁不发生共振,而高速时属周期激励且存在多个最佳转速使放大比最大。此外,周期比给定时存在最佳转速使放大比最大,转速固定时存在最佳周期比使放大比最大、且最佳周期比随转速增加而增加。在此基础上,测试分析旋转磁铁转速/磁铁厚度以及压电梁端附加质量对发电机发电能力及特性的影响规律,证明旋磁激励式发电机原理的可行性及理论分析结论的合理性;此外,通过确定合理的冲击载荷或采用多个具有不同谐振频率压电梁同步工作的方法可有效提高发电机的速带宽度,实现较大转速范围的实时供电。
【图文】：

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较蚣だ鈊?电振子的发电机在结构及原理上均存在某些难以克服的弊端，严重地制约了其推广应用，尤其不适于高速、匀速及使用空间受限等场合。针对现有旋转激励式压电发电机所存在的问题以及高速、匀速旋转体健康监测系统的自供电需求，作者提出研究一种基于旋转磁铁与压电梁端固定磁铁耦合激励的新型旋磁式压电发电机，从理论和试验两方面研究旋磁激励状态下磁力大孝载荷作用时间、激励周期及旋转磁铁转速等对压电梁动态响应特性及其发电能力的影响规律。1压电发电机的结构及工作原理旋磁激励式压电发电机结构原理如图1所示，其中由金属基板和压电晶片粘接而成的压电梁一端固定在轴承盖上、另一端安装有“定磁铁”和质量块，转盘上安装有一个或一组“动磁铁”，且动、静磁铁的同性磁极靠近安装。工作过程中，当转盘上的动磁铁与压电梁上的定磁铁靠近时其同性磁极间产生排斥力并使压电梁轴向弯曲，旋转磁铁远离后压电梁在其自身弹性力的作用下恢复变形(或产生持续的自由振动)。根据压电学原理，压电梁发生弯曲变形的同时即将机械能转化成电能，且所生成的开路电压Vg与所受外力F及端部变形量δ间的关系为[6]gVFk(1)式中——与压电梁结构尺寸及材料有关的系数；k——压电梁的弯曲刚度。本文所提出的旋磁激励式压电发电机属非接触激励，工作过程中不会产生冲击与噪声；激振力的大小易于通过磁力大小(磁场强度或磁铁间距)加以调整；此外，亦可通过质量块大小调节压电梁的基频，使之与转速相适应，故理论上可在高速及匀速时发电。因旋磁式压电发电机承受冲击载荷，压电梁的动态响应及发电特性与简谐激励的纵振式压电发电机都将有较大的区别，目前无任何可借鉴的相关成果，尚需要进行大量的理论与试验研究。图1旋磁

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146机械工程学报第50卷第8期期x(t)——压电梁弯曲变形时其上磁极的偏移量(其大小取决于压电梁结构参数、两磁铁间磁力及激励频率)；1m,2m——安装于转盘和压电梁端磁铁的磁矩，与磁铁厚度成正比。图2压电梁的激励过程与原理简图根据图2所示发电机的激励过程及原理，载荷函数为msmm20m4mm0()03sin02[()]0FtTfttTmttTlxtTtT(3)式中λs——动-定磁铁重叠面积与磁铁总面积之比；smsintT。2r0r1mrhB；h——圆磁铁厚度；r——相对磁导率；B——剩磁。显然，动磁铁与定磁铁之间切入前与切出后s0，完全重叠时s1。式(3)表明，压电梁某一时刻所受外力与其端部位移间存在非线性的耦合关系，，难以通过简单的计算获得所受外力或变形量的大校根据振动分析理论，压电梁受冲击作用的响应函数为[12]0n0n0dddnd0d()exp()cossin1()exp(())sin()dtxxxttxttfttm(4)式中0x——初始位移；0x——初始速度；c/(2kM)为阻尼比；c——阻尼系数；m'——总质量；yzcmmmm；ym——压电梁质量；zm——质量块质量；cm——定磁铁质量；nk/m，无阻尼时，压电梁的基频；2dn1有阻尼时，压电梁的基频。当压电梁受初次激励时，0x0、0x0，则根据式(4)可得其动态放大比(亦称放大因子)mnd0dmmnd0dmmsinexp()sin()d0sinexp()sin()dtTkttmTtTkttmTtT(5)式(5)表明，冲击载荷作用下压电梁的放大系数(影响发电特性)受诸多因素的影响，如压电梁结构?

【参考文献】